伞形膜结构风荷载分布特性的数值模拟研究

本文运用CFD技术进行了伞形膜结构刚性模型绕流风场的数值模拟,分析了其表面风荷载分布特性.数值模拟依托CFX软件平台,基于雷诺平均模拟(RANS)方法进行.文中利用CFD数值模拟技术可较方便变化各种参数、能同时提供开敞式膜结构的上、下表面风压分布等优势,分析了风向角、矢跨比对伞形膜面风荷载分布的影响,总结了其风压分布规律,并给出了相应的膜面风压系数分布图供工程设计参考.     

椭球形屋面风荷载分布规律数值模拟研究

应用SST k-ω湍流模型对椭球形屋面风荷载分布规律进行了数值模拟,通过改变风向角与屋面形状相关的模型尺度、长跨比、矢跨比,研究上述参数的变化对屋面体型系数的影响。研究结果表明:模型尺度对体形系数影响不大;矢跨比和长跨比对屋面体型系数取值影响较显著,屋面体型系数等值线梯度随长跨比增加而变大,矢跨比越大,风荷载对屋面的作用越大;风向角对屋面风荷载分布影响明显,随着风向角从0°～90°变化,风荷载体型系数变化梯度不断减小。将数值模拟结果与类似的风洞试验结果进行对比,验证了数值模拟结果的可靠性,提出了椭球形屋面风荷载体型系数取值建议供工程设计人员参考。     

七里河体育场罩棚风压分布数值模拟研究

以兰州市七里河体育场为工程背景,基于ANSYS-CFX 19.0软件平台,采用SST k-ω湍流模型对体育场罩棚12个风向角下表面风压分布特性进行了数值模拟,分析了风向角和周围建筑物对风压分布的影响,获得了罩棚表面风压分布的规律,并探讨了罩棚周围流场的绕流特性,最后根据罩棚的结构形式及风压分布特点,给出了最不利风向下罩棚表面的分区风压系数以及罩棚设计风荷载的计算方法。结果表明：周边干扰建筑物对体育场中心周围的风场和表面风压有明显的影响,数值模拟结果符合钝体绕流规律;风向角对风荷载的影响较大,不同风向角下,来流的分离和漩涡脱落作用均有较大的不同;屋面最大负风压区出现在沿风向的屋面前缘角部,且迎风向前端出现正压区,模拟结果可供实际工程采用。     

伞形组合膜结构风荷载分布特性分析

膜结构对风荷载极为敏感,抗风设计在膜结构设计中成为至关重要的环节.本文针对常见的双伞和四伞组合膜结构进行风压分布特性分析,研究组合膜结构的风压分布规律.首先对某实际膜结构罩棚进行数值模拟和风洞试验,通过对比所得数据,验证了数值模拟方法是可靠的;其次采用SSTk-ω模型,对伞形组合膜结构周围绕流风场做数值分析,探究在风荷载作用下伞形组合膜结构表面风压分布特性.研究发现,组合膜结构的正压区位置在风向角不同时有差别,在设计时应注意风向角对组合膜结构膜面风压正负分区的影响及角点部位的膜面处理,并给出风荷载体型系数取值建议.     

平面L形低矮房屋平均风压分布特性数值模拟

基于大气边界层基本理论和流体动力学基本原理,采用FLUENT软件对平面L形低矮房屋风压分布特性进行了数值模拟研究。将数值计算结果与风洞试验结果对比分析,结果吻合良好,表明数值模拟方法是合理可行的。通过数值模拟,详细分析了风向角、屋面坡度、房屋翼长、檐口高度和屋面形式等参数对平面L形低矮房屋外表面平均风压系数分布规律及体型系数的影响。结果表明:风向角与屋面坡度是影响屋面的风压系数分布与体型系数的最主要因素;最不利负压的位置随风向角的改变而不断变化,但往往出现在迎风屋面屋脊及屋檐区域;迎风屋面最不利负压随屋面坡度的增加逐渐减小,背风屋面风压系数分布相对均匀;四坡屋面阳屋脊较多,其背风区往往形成高负压区,这些区域更容易遭受风灾破坏。     

椭圆形平面鞍形屋盖风压的数值模拟

现行<建筑结构荷载规范>并未给出椭圆形平面鞍形屋盖的风荷载体型系数,针对这个问题,基于数值风洞方法具有成本低,速度快,结果采集更为全面等显著优点,利用 CFD 知识,运用 FLUENT 软件,对椭圆形平面鞍形屋盖的平均风压力系数进行了数值模拟,重点讨论了风向角对数值模拟结果的影响,为合理确定椭圆形平面鞍形屋盖的平均风压...     

开洞门式刚架房屋风荷载的数值模拟

结合风洞模型试验对门式刚架房屋在不同风向来流风作用下的屋面风压进行了数值模拟分析．通过分析比较数值模拟结果和风洞试验结果发现,开洞位置和风向角对轻钢门式刚架的风压具有显著影响,当开洞的大小一定时,越接近屋面的位置,对建筑风荷载减小的程度越大,风向角在0°到90°的范围内,随角度的增大,屋面的减压效果越来越明显等相关结论。     

弧形内凹连续坡屋面风压特性的数值模拟

基于窄带叠加法(NSRFG)入口脉动风速生成方法,对石家庄国际会展中心D展厅的非定常绕流风场进行大涡模拟(LES)研究,得到其弧形内凹连续坡屋面的瞬态风压时程,在此基础上研究此类屋面的风荷载分布特性并分析风向角变化对体型系数的影响.结果表明,突出屋面的天窗对风压分布影响显著;规范中封闭式锯齿形屋面的体型系数可用于该弧形内凹连续坡屋面90°风向角下的风荷载估计,但其他风向角下的屋面风压更不利.     

大跨度刚性屋盖数值模拟及女儿墙对风压影响分析

为研究不同围护结构对主体结构及自身承受风荷载的影响,对三种不同围护结构体系的平屋盖刚性模型(普通平屋盖、设女儿墙平屋盖和设悬挑平屋盖模型)的风洞试验进行CFD数值模拟,数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好,利用建立的CFD数值模拟模型,对三种不同高度女儿墙的平屋盖刚性模型进行数值模拟分析。对不同围护结构的屋面风压分析表明:悬挑部分对主体屋面前缘风压降低效果明显;女儿墙设置可减小屋面迎风前缘与角部区域的负值风压,屋盖后部出现了局部正压。对不同高度女儿墙模型数值模拟表明:女儿墙高度主要影响屋面1/3范围内的风压、角部区域风压及屋面风压梯度,女儿墙越高,女儿墙承受风压越大,在实际工程中应考虑风压对女儿墙的不利影响。     

厦门市文化艺术中心综合楼屋顶膜结构风压数值模拟

大跨屋盖结构形体多为复杂曲面,荷载规范的规定往往不能满足设计需求,风荷载的确定需借助于其他手段,而CFD数值模拟是近年来兴起的一种风荷载研究手段．本文基于FLUENT平台,对厦门文化艺术中心共享综合楼屋顶膜结构进行了数值风洞试验研究,湍流模型采用雷诺应力（RSM）模型．数值模拟结果表明,膜结构表面风压分布与其表面形状密切相关,在曲率变化大的局部区域风压变化也很剧烈,在设计时需引起相当重视．同时结合屋盖周围的流场特点,对屋盖表面平均风压的分布规律进行了分析,并根据不同风向下风压分布特性对膜结构表面进行了分区,并给出可供工程设计参考的分区风载体型系数．基于以上工作,说明CFD数值模拟为复杂工程提供辅助设计信息是可行的．     

不同坡角低矮建筑屋面局域风压极值分布规律研究

针对4种不同坡角、缩尺比为1∶20的双坡低矮房屋风洞试验刚性模型,以风向角、坡角为变量,重点研究均匀湍流风场下坡角影响双坡低矮房屋屋面区域极值风压的分布规律。研究结果表明:0°～45°风向下坡角对双坡低矮房屋屋面易损区域风压特性影响显著,60°～90°风向下不同坡角房屋易损区域风压特性变化趋势相近,其中30°坡角房屋屋面所受风荷载较小。     

椭园形双曲抛物面鞍形壳体屋面风压分布系数的实验研究

本文通过模型风洞实验，对椭圆形双典抛物面鞍形壳体层面的风压分布系数进行了研究，实验是在模拟大气边界层风洞中进行的，根据不同风向作用下屋面风压的实测分布规律，给出了最大风压系数和整修屋面的平均风压系数。在所研究的矢跨比范围内，最大风压系数Cpm=-2.06q，最大平均风压系数（绝对值）－／Cp=-0.82q(q为速压），实验结果表明，风向对屋面风压分布起关为重要的作用。     

张拉膜结构的结构刚度及其对结构性能的影响

张拉膜结构的力学性能与结构刚度密切相关。采用非线性有限元方法对开敞式鞍形膜结构的静力性能及自振特性进行了参数化分析,主要考虑了膜面预应力、矢跨比、弹性模量等对开敞式鞍形膜结构振动响应的影响规律,重点分析了结构刚度对于结构静力性能及自振特性的影响规律。研究发现:影响开敞式鞍形膜结构刚度的主要参数是膜面预应力、矢跨比和膜材弹性模量,其中预应力影响最大;膜结构的结构刚度可以分为非线性刚度和线性刚度,随着矢跨比的增大,膜结构由非线性体系向线性体系过渡,非线性刚度作用逐渐弱化,线性刚度逐渐强化。     

高压户内直流场建筑屋盖设计体型系数研究

户内直流场建筑属于重要的大跨度结构,几何尺寸变化多样,体型系数的确定是合理结构设计的前提。首先结合风洞试验与CFD数值模拟技术分析户内直流场建筑屋面的风荷载特性,研究了不同长宽比、高跨比下屋盖表面的平均风压系数分布。通过参数分析发现,随着长宽比增大,屋面受到的风吸力增大,而高跨比对屋面风荷载特性的影响则不明显。为了方便工程设计,对户内直流场建筑表面进行分区,给出典型风向角下不同长宽比屋盖的分区体型系数,可供设计提供依据。     

低层四坡屋面风荷载数值模拟

结合低层建筑风荷载特性研究现状,采用流体力学软件Fluent14.5,对几何尺寸为24 m×16 m×4 m的低层四坡屋面房屋模型的风压分布规律进行数值模拟研究,最终选取变化规律与东京工艺大学风洞试验结果较吻合的重整化群k-e湍流模型进行后续研究。在此基础上,深入研究了不同风向角下低层四坡屋面坡角、风向角以及相邻房屋风致干扰对风压分布规律的影响,根据各工况下风压系数的变化,总结各因素影响规律得出:(1)较高的负平均风压系数总是出现在迎风方向的气流分离面附近,在斜风向角下,屋面屋脊局部最大风压达到极值;(2)相邻建筑干扰产生的遮挡效应和狭缝效应会使屋面风压产生复杂变化,设计时应考虑这种影响。     

世博轴膜面平均风压的数值模拟研究

基于Fluent 6软件平台,利用Realizablek-ε湍流模型对世博轴大跨膜结构屋面的平均风荷载进行了数值模拟研究。首先,通过与刚性模型测压风洞试验结果的对比,验证了数值模拟计算的有效性。然后,着重研究了周边建筑对膜表面平均风压分布的影响。最后,从数值模拟得到的流场信息分析了周边建筑对膜表面平均风压分布影响的机理。结果表明:周边建筑对膜表面局部风压分布有一定的影响,主要是由于上游建筑的"遮挡"改变了膜表面附近气流的流动状态,使建筑后面区域膜表面局部风压的绝对值有所减小,但随着上游建筑与膜结构之间距离的增大,这种影响逐渐减弱,并且远离上游建筑位置的膜表面风压基本不受影响。     

高层建筑屋面风压分布的数值模拟

对高层建筑屋面的风压分布进行了分析,模拟了0°和45°两个风向角下屋面平均风压分布,得出了迎风的屋面产生了极大的负风压,其他区域风压相对较小,45°风向角为高层建筑屋面风压的较不利风向角的结论。     

四面坡顶轻钢空旷结构表面风压数值模拟

采用基于CFD的数值模拟技术和RNG k-ε湍流模型对一四面坡顶轻钢空旷结构进行了静力风荷载数值模拟,主要考虑了风向角的变化,得到了结构表面的风压分布,并进行了对比分析.该结构表面风压分布不均匀,局部风压较大;风向角对结构表面风压分布具有一定影响.最后,根据分析结果提出了该类结构表面风压的分区方法.     

平面拱形桁架等效静风荷载研究

对矢跨比分别为1/4、1/6、1/8的3个拱形屋面进行了同步测压风洞试验,分析风荷载和结构参数对平面拱形桁架风振响应和等效静风荷载的影响规律。风洞试验结果表明, 0°风向时,高矢跨比屋面的最大负压幅值出现在屋顶,而低矢跨比的出现在迎风前缘。从方便工程应用的角度,采用简化振型函数表达针对结构多个位移和杆件应力响应的多目标等效静风荷载。在工程常用范围内,分析结构矢跨比、跨度、屋面质量、设计风速和风向等参数对中部和端部平面拱形桁架多目标等效静风荷载的影响,得到可用于指导该类结构抗风设计的等效静风荷载风压系数建议值,且经校核,在该等效静风荷载作用下的结构响应与实际动力响应极值吻合较好。     

大跨度结构风荷载的风洞试验和CFD数值模拟研究

针对某大跨度结构,进行动态测压风洞试验和风荷载数值模拟研究。通过风洞试验,给出了该大跨度体育馆屋面及四周立面表面的风压系数,并分析了风压分布的特征,为该工程的主体和围护结构抗风设计提供详细的风荷载数据。通过数值模拟研究,探讨复杂体型建筑表面平均风压CFD数值模拟的可行性,提出了应用于复杂工程CFD数值模拟时的网格划分方法,有效地减少了多个风向角时的建模工作量。计算结果表明,体育馆表面的风压与风洞试验结果基本一致;在局部区域存在较大误差。最后比较了网格密度、湍流模型对数值计算精度的影响。CFD数值模拟简洁、高效,能获得丰富的数据成果,可以用于复杂工程的平均风荷载研究。